Д.т.н., профессор Сейтказиев А.С., к.т.н. Шилибек К.К.

Таразский государственный университет имени М.Х.Дулати, Казахстан

УСТАНОВЛЕНИЯ РЕЖИМА ГРУНТОВЫХ ВОД НА ОРОШАЕМЫХ ГЕОСИСТЕМ

Для комплексного изучения режима грунтовых вод необходимо, прежде всего, знать естественные и искусственные факторы, которые изменяют свойства грунтовых вод в процессе промывки. А так же в каждом конкретном случае выделить из известных факторов основные и второстепенные, чтобы определить их влияние на движение грунтовых вод. Следовательно, необходимо установить связь между теми и другими свойствами подземных вод и определяющих их факторов.

Данные многолетних исследований позволяют нам выделить основные закономерности гидродинамического режима и баланса грунтовых вод. Гидродинамический режим охватывает изменения движения грунтовых вод в процессе промывки, химический состав воды и ее физические свойства.

В мелиоративной практике известно, что естественный режим в большинстве случаев определяется гидродинамическим влиянием, т.е. колебаниями уровня воды в водоемах, изменением интенсивности инфильтрации атмосферных осадков, испарением с зеркала грунтовых, оросительных и промывных вод.

Для исследования режима грунтовых вод в настоящее время используются следующие методы: метод, основанный на анализе данных многолетних колебаний уровень грунтовых вод, общего водного баланса; метод, основанный на анализе решений дифференциальных уравнений; метод моделирования и др.

Движение и подъем УГВ при промывке зависит в основном от следующих факторов: - от механического состава почвогрунтов, уровень грунтовых вод, коэффициента водоотдачи, дефицита влажности, порозности, КПД каналов запаса влажности в расчетном слое почвы.

Изменения УГВ при промывках устанавливаются по уравнению общего водного баланса предложенного А.Н.Костяковым. Подъем УГВ от первого промывного полива определяется по формуле:

, (1)

где h₁ - величина подъема УГВ от промывки, м;m- разовая норма промывки, м; осадки за период промывки, м³ /га; E₁- испарение за тот же период, м³/га; а - недостаток насыщения или дефицит влажности, %; α- коэффициент свободной водоотдачи, %.

Установление допустимой глубины грунтовых вод. Естественный уровень грунтовых вод принят за начальный уровень. На Ташуткульском канале задавались граничные условия II рода, т.е. потери из канала. Сопротивление, учитывающее потери из канала, рассчитывались по формуле:

, (2)

где q - потери из канала, м/сут; L - длина канала, м; m_R - масштаб сопротивлений; т_н - масштаб напоров.

После того, как уровень грунтовых вод под каналом смыкался со среднегодовым уровнем воды в канале, в нем поддерживался среднегодовой уровень через сопротивление на совершенство канала (т.е. задавались условия I рода).

Инфильтрационное питание подавалось только в те узлы сетки, которые приходились на участки новоорошаемых земель.

На староорошаемые земли инфильтрация не подавалась, исходя из того, что «бытовой» уровень грунтовых вод, сложившийся под влиянием существующей инфильтрации на орошаемых полях и испарения и транспирации на неорошаемых, за многолетний период является довольно стабильным.

При проведении моделирования динамики подъема уровня с вводом ново орошаемых земель в узлы задавалась инфильтрация от оросительных вод, но как только уровень достигал критической глубины, инфильтрационной питание задавалось уже с учетом осенних эксплуатационных промывок. В это же время в модель включались горизонтальные дрены глубиной 3,5 м с наполнением 0,5м.

Моделирование прогноза подъема уровня грунтовых вод под влиянием инфильтрации поливных вод проведено исходя из того положения, что зона аэрации к началу подъема уже заполнена водой.

При моделировании в расчеты временных сопротивлений закладывалась величина коэффициента водоотдачи.

Таким образом, полученные прогнозы динамики подъема уровня, не учитывают времени на насыщение сухого грунта. Расчет этого времени проведен нами для интервала грунтов, находящихся между естественным уровнем грунтовых вод и критической глубиной, считая, что грунт в зоне аэрации будет насыщаться в пределах от естественной влажности до наименьшей влагоемкости.

Объем воды, необходимый для насыщения грунтов зоны аэрации W_x определяется по формуле:

, (3)

Зная этот объем легко определить подъем уровня при насыщении грунта за один год:

, (4)

где W— инфильтрационное питание грунтовых вод , м/сут.

Время насыщения всей зоны определиться из общей мощности зоны аэрации и полученной величины h (приведены в табличном виде).

В связи с тем, что пористость, естественная влажность и объемный вес скелета грунта для рыхлых пород на массиве не определялись, эти данные приняты нами по аналогии с массивом орошения на р. Чарын, расположенногона предгорной равнине.

Установление допустимой глубины грунтовых вод

Найменьшая влагоемкстинв, %	Начальная влажность почвыWo, %	Плотность почвы, т/м^3	инфильтрационное питание W, м/сут	насыщения грунтов зоны аэрации Wx	Продолжительнсть опыта t, сут	Подъем уровня грунтовых вод h, м
17	10	1,39	0,0015	0,031	30	1,45
22	12	1,42	0,002	0,05	60	2,42
23	13	1,45	0,002	0,042	90	4,34

При дренаже особенности солепереноса определяются главным образом условиями переноса влаги. В общем случае в первую очередь происходит рассоление грунтов в придренной области, так как здесь линии тока самые короткие и путь солепереноса минимальный; кроме того, здесь наибольшие скорости конвективного переноса солей. С удалением от дрены увеличивается путь переноса солей и уменьшается скорость влагопереноса.

Основным уравнением, описывающим передвижение воды в ненасыщенной почве, как известно, является уравнением

, (5)

где i - плотность потока влаги (размерность LT¹), Р - перепад давления влаги на пути 1 (размерность L), Кр - коэффициент влагоприводности почвы (размерность L²T^-1 ), величина которого зависит от давления влаги и соответственно влажности почвы. Зависимость К от Р можно приближенно описать уравнением [1].

K_Р = К₀Р-^п (6)

где К_о- коэффициент влагоприводности при P=P₁ т.е. в практически насыщенной влагой почве (фактически К₀ - коэффициент фильтрации).

Поэтому при построении модели удобнее использовать «гидравлический» подход, т.е. допустим, что вода находится в микрообъемах, каждый из которых соединен с резервуаром отдельным каналом. Каждый микрообъем характеризуется определенным «критическим давлением», равным его водоудерживающей силе. Все микрообъемы одного ранга, находящиеся на разном расстоянии от резервуара, можно заменить эквивалентным макрообъемом, расположенным на расстоянии t/2 от резервуара. Соединительные каналы также заменяются одним, по влагопроводности эквивалентным сумме отдельных каналов. При этом соотношение между критическим давлением в объеме и влагопроводностью канала подбирается таким образом, чтобы оставалась в силе зависимость [2].

Поскольку при дренировании почвы в начале осушаются более широкие поры с высоким критическим давлением и лишь затем - все более тонкие с меньшим критическим давлением, можно представить все объемы в виде одного объема с постепенно меняющимся по длине диаметром. Как известно, диаметр капилляра обратно пропорционален его критическому давлению, а длина -дифференциальной влагоемкости.

Коренного повышения эффективности мелиорации и получения высоких урожаев можно достичь лишь на основе комплексного регулирования факторов жизни растений, создания оптимального водно-воздушного, теплового, газового и питательного режимов почвогрунтов и приземного слоя воздуха на протяжении всего вегетационного периода. Не требует доказательства тот факт, что только оптимальное соотношение между влагой, теплом, питательными веществами и газовым режимом обеспечивает наилучшее развитие растений. В связи с этим является актуальной разработка комплексных моделей управления жизнедеятельностью растений.

По временным масштабам принятие решений при управлении процессом формирования урожая можно разделить на три уровня [2]:

- решения при проектировании мелиоративных систем;

- решения при планировании урожая;

- решения при выращивании культуры (оперативное управление).

Относительная самостоятельность уровней принятия решений, а также значительная сложность процессов приводят к созданию различных моделей в зависимости от временных масштабов проблемы.

Для расчета модели поступает следующая методологическая информация: температура, относительная влажность - дефицит влажности воздуха, стабильность облачного покрова, скорость ветра, сведения об осадках и т.д. В зависимости от способа технологии производится расчет потерь влаги при потере искусственного дождя в воздухе, расчет потерь на поверхностный сброс и заполнения неровностей рельефа. Непосредственно впитавшаяся в почву влага распределяется по почвенному профилю. С помощью модели роста корней рассчитывается распределение площади поглощения поверхностью корней по глубине, вычисляется поглощение влаги из почвенных слоев корнями растений. Для этого используются данные о влажности и плотность почвы, приросте биомассы корней. Используя метеорологические данные влажности почвы вычисляются физические испарения и транспирация.

Важное значение для успешного использования модели формирования урожая имеет точность расчета средней влажности корнеобитаемого слоя почвы. Эта величина, вычисленная для каждых суток передается на вход биотических блоков модели. В случае если она отличается от некоторого биологически оптимального значения средняя влажность корнеобитаемого слоя почвы является лимитирующим фактором в расчете суточных приростов биомассы. Поэтому результирующий урожай в значительной степени зависит от ее временного хода. Обычно среднюю влажность почвы вычисляют пользуясь уравнением водного баланса, толщину расчетного слоя задавая при этом из каких либо эвристических соображений.

Необходимо рассмотреть задачу оптимального управления водным режимом растений в корнеобитаемой зоне, имеющая непосредственное отношение к принятию решений на оперативном уровне. В настоящее время многие исследователи [3] успешно разрабатывают модели процесса переноса влаги в системе «растение-почва», основанные на известной краевой задаче ненасыщенного влагопереноса; при этом учет растений производится ведением в уравнение полуэмпирического члена, учитывающего поглощение влаги корнями.

Литература:

1. Судницин И.И. Движение почвенной влаги и водопотребление. М: Московский Университет, 1979, 255 с.

2. Дубровский З.М., Хубларян М.Г. Математическая модель оптимального уравнения влажности в корнеобитаемой зоне растений.// Сборник научных трудов. ВНИИГ и М., Москва, 1978, с. 27-39

3. Сейтказиев А.С.,Салыбаев С.Ж.,Байзакова А.Е.Экологическая оценка продуктивности улучшения засоленных земель в пустынных зонах Республики Казахстан.,Тараз,2011,-274с.